基于GEE的VIIRS夜光数据监测上海城市扩展

最新推荐文章于 2025-08-05 17:20:40 发布

遥感AI实战

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分类专栏： GEE基础教程文章标签： python 遥感 GEE

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一、研究背景

随着城市化进程的加快，城市空间不断扩展，夜间灯光遥感数据成为监测城市发展和变化的重要手段。VIIRS卫星夜光数据以其高分辨率和稳定性，广泛应用于城市扩展、人口分布及能源消耗等研究。
本文利用Google Earth Engine平台，基于VIIRS夜光数据监测上海地区2013-2023年间的城市灯光空间变化，并统计面积变化趋势。

二、数据与方法

1. 区域定义及时间范围设置

// ===================== 1. 区域与参数设置 =====================
var region = ee.FeatureCollection("projects/ee-hllutlu2024/assets/SHANGHAI");

Map.centerObject(region, 9);

// 时间设置
var startYear = 2013;
var endYear = 2023;

说明：

使用自己的GEE资产中上海市边界矢量数据定义研究区域。
Map.centerObject将地图缩放并定位到上海区域，便于可视化。
设定时间范围为2013年至2023年，分析近11年的城市灯光变化。

2. 加载VIIRS夜光影像

// ===================== 2. 加载VIIRS夜光数据 =====================
var viirs = ee.ImageCollection('NOAA/VIIRS/DNB/MONTHLY_V1/VCMCFG')
               .select('avg_rad');  // 选择平均辐射值波段

说明：

载入NOAA发布的VIIRS月度夜光平均辐射影像集合。
选择avg_rad波段，该波段反映夜间灯光的辐射强度。

3. 生成每年的夜光合成影像

// ===================== 3. 生成年度最大合成影像集合 =====================
var yearlyList = ee.List.sequence(startYear, endYear).map(function(y){
  y = ee.Number(y);
  var start = ee.Date.fromYMD(y, 1, 1);
  var end = ee.Date.fromYMD(y, 12, 31);
  
  var yearly = viirs.filterDate(start, end)
                   .filterBounds(region)
                   .median()
                   .set('year', y);
  return yearly;
});

var yearlyLights = ee.ImageCollection.fromImages(yearlyList);

说明：

通过循环生成每年的时间区间。
筛选该年内覆盖研究区的VIIRS影像。
利用中位数合成减少异常和噪声影响，获得年度代表影像。
给影像设置年份属性，方便后续处理。
组合为影像集合。

4. 利用阈值提取城市灯光区域

// ===================== 4. 灯光阈值提取城市区域 =====================
var threshold = 20; // 夜光强度阈值，需根据实际调整
var extractUrban = function(img) {
  var year = img.get('year');
  var urban = img.gt(threshold).selfMask()
                .clip(region)
                .set('year', year);
  return urban;
};

var urbanAreas = yearlyLights.map(extractUrban);

说明：

设定夜光强度阈值为20，识别夜光亮度较高区域。
利用gt(threshold)进行像素阈值判断，selfMask()屏蔽非城市区域。
裁剪到上海边界内，避免溢出。
保持年份属性。
对所有年度影像进行处理，得到城市灯光二值化影像集合。

5. 地图可视化

// ===================== 5. 可视化 =====================
var visParams = {
  min: 0,
  max: 60,
  palette: ['000000', 'ffff00', 'ff0000']  // 从黑到红的夜光色带
};

var singleYear = yearlyLights.filter(ee.Filter.eq('year', 2023)).first();
Map.addLayer(singleYear.clip(region), visParams, 'VIIRS Nightlight 2023');

var singleUrban = urbanAreas.filter(ee.Filter.eq('year', 2023)).first();
Map.addLayer(singleUrban, {palette: ['00FF00']}, 'Urban Area 2023');

说明：

定义夜光影像色带，颜色从黑色无光到红色高亮。
筛选2023年影像进行展示。
加载原始夜光数据与提取的城市灯光区域。
绿色用于标注城市灯光范围，便于直观识别。

6. 统计城市灯光面积并绘制变化趋势图

// ===================== 6. 绘图（面积统计） =====================
var areaChart = ui.Chart.image.series({
  imageCollection: urbanAreas.map(function(img){
    var pixelArea = ee.Image.pixelArea();
    var areaImage = img.multiply(pixelArea).divide(1e6); // 转换为平方公里
    
    var stats = areaImage.reduceRegion({
      reducer: ee.Reducer.sum(),
      geometry: region,
      scale: 500,
      maxPixels: 1e13
    });
    
    return ee.Image.constant(stats.get('avg_rad')).set('year', img.get('year'));
  }),
  region: region,
  reducer: ee.Reducer.first(),
  scale: 500,
  xProperty: 'year'
}).setOptions({
  title: '上海市城市灯光区域面积变化（km²）',
  hAxis: {title: '年份'},
  vAxis: {title: '灯光区域面积（平方公里）'},
  lineWidth: 3,
  pointSize: 5
});

print(areaChart);

说明：

计算每年灯光区域的像素面积，转化为平方公里单位。
使用reduceRegion求和统计总面积。
生成年度面积序列，用于绘制折线图。
设置图表标题、坐标轴标签，增强图表可读性。
打印图表，结果显示上海近11年夜光区域面积变化趋势。

7. 添加简易图例面板

// ===================== 7. 添加简单图例 =====================

// 创建图例面板
var legend = ui.Panel({
  style: {
    position: 'bottom-left',
    padding: '8px 15px'
  }
});

// 图例标题
var legendTitle = ui.Label({
  value: '图例说明',
  style: {fontWeight: 'bold', fontSize: '16px', margin: '0 0 6px 0'}
});
legend.add(legendTitle);

// 生成颜色方块函数
var makeColorBox = function(color) {
  return ui.Label({
    style: {
      backgroundColor: color,
      padding: '8px',
      margin: '0 0 4px 0',
      width: '20px',
      height: '20px',
      border: '1px solid black'  // 边框便于识别
    }
  });
};

// 生成文字标签函数
var makeLabel = function(text) {
  return ui.Label({
    value: text,
    style: {margin: '0 0 4px 6px'}
  });
};

// 创建图例项面板，水平布局
var legendItem = ui.Panel({
  widgets: [makeColorBox('00FF00'), makeLabel('城市灯光区域')],
  layout: ui.Panel.Layout.Flow('horizontal')
});

legend.add(legendItem);

// 将图例面板添加到地图
Map.add(legend);